Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
51
2 – стальная струна;
3 – катушка возбуждения колебаний (400 Гц);
4 – измерительные струны;
5 – предварительный усилитель;
6 – детектор;
7 – выходной усилитель.
Датчик работает следующим образом. Генератор 1 через катушки 3 возбуждает колебания частотой 400 Гц в стальной струне 2. За счет колебаний
струны периодически изменяется электрическое поле на измерительных струнах 4. Переменное электрическое напряжение усиливается предварительным
усилителем 5, выпрямляется детектором 6 и усиливается выходным усилителем
7. Таким образом, на выходе прибора получается постоянное напряжение, про-
порциональное напряженности атмосферного электрического поля.
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3.6. Опти-
ческое излучение от импульсного СO2-лазера с длительностью импульса
1,5 мкс, с энергией в импульсе до 500 Дж и диаметром пучка 140 мм фокусировалось линзой Л, изготовленной из NaCl (c фокусным расстоянием 75 см), в камеру, выполненную из текстолита (размером 324244 см2 и диаметром входных окон 44 мм).
Рисунок 3.6 – Схема экспериментальной установки
Для исключения влияния внешних электрических полей на показания
электрического датчика при работе лазера в камере формировалось однородное
в пространстве и постоянное во времени электрическое поле напряженностью
60 В/м. Для этой цели служил плоский конденсатор С и блок питания БП.
Непосредственные измерения напряженности электрического поля проводи-
52
лись с помощью электрического датчика Д. Датчик располагался на нижней заземленной пластине конденсатора на расстоянии 20 см от оси оптического пучка. Регистрация изменения величины напряженности электрического поля в
конденсаторе после воздействия лазерного излучения осуществлялась цифровым вольтметром ЦВ Щ4300 и цифровым осциллографом RS PRO RSDM2000EG. Настройка и юстировка оптической схемы производились с помощью
He-Ne-лазера. Для измерения ионной проводимости воздуха в зоне воздействия
оптического излучения СO2-лазера использовался ионный датчик ИД, который
располагался на расстоянии 2 м от оси пучка излучения в горизонтальной плоскости. По другую сторону от пучка располагался вентилятор В, с помощью которого создавался воздушный поток для обдува ионного датчика [148].
Установлено, что характер изменения электропроводности среды линейно зависит от выходной мощности оптического излучения.
Величина электропроводности среды, измеренная в отсутствии излуче-
ния, составляла σ=3∙10
-17
Ом∙см-1. После прохождения излучения электропро-
водность резко возрастала; при напряжении накачки UH = 46 кВ она составляла
σ=3,9∙10
-15
Ом см-1; при UH = 48 кВ, σ = 8,9∙10
-15
Ом см-1 и при UH = 50 кВ,
σ = 18∙10
-15
Ом см-1.
Таким образом, при распространении мощного лазерного излучения и канале его распространения создается область с повышенной ионизацией, которая
создает дополнительное электрическое поле и тем самым образуя проводящий
канал, что вызывает увеличение напряженности поля в конденсаторе [148].
3.3 Экспериментальные исследования электрических и магнитных
полей, возникающих при распространении лазерного излучения
Следует отметить, что все рассмотренные эксперименты были выполнены
в лабораторных условиях на экспериментальной базе Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. Схема экспериментального стенда показана на
рисунке 3.7. В качестве источника мощного излучения использовался моноим-
пульсный электро-ионизационный лазер на смеси CO2N2 с предионизацией активной среды электронным пучком. CO2 лазер генерировал 1 или 2 импульса с
полушириной 0,3 – 3,0 мкс и временным интервалом между ними 2 – 20 мкс.
Применялось два вида формирования структуры пучка: с помощью неустойчивого резонатора и зеркального телескопа типа Кассегрена с диаметром большо-
го зеркала 0,5 м, малого 0,12 м и регулируемым фокусным расстоянием F = 50 –
150 м. Плотность лазерной энергии излучения в области фокуса телескопа
могла изменяться в пределах I = 3 – 20 Дж/см2. Диаметр пучка в области перетяжки составлял 1 – 2 см.
53
Рисунок 3.7 – Схема экспериментального стенда
Для проведения измерений в полевых условиях лазер был смонтирован в
передвижной кабине 1. Приемный кунг 2 осуществлял прием прошедшего атмосферную трассу 16 излучения, где проводился контроль формы и энергии лазерных импульсов. Регистрирующая аппаратура располагалась в приемном
кунге 3, где находились осциллографы 8, 12 (TDS2012C). На осциллограф 8
сигналы могли передаваться с двух антенн 4, 5, устанавливаемых на разных
расстояниях от трассы лазерного пучка, с помощью 75-омных коаксиальных
кабелей, нагруженных на 75-омные согласующие сопротивления 9, 10. На осциллограф 12 сигнал поступал с двух фотоумножителей 11 (H7422 Hamamatsu
Photonics), снабженных фильтрами в спектральных интервалах 600 – 900 нм и
400 – 450 нм. Выделение данных спектральных диапазонов осуществлялось с
помощью спектральных фильтров. Одновременно осуществлялся контроль
формы и энергии с помощью фоторезистора ФСГ223 и детектора мощности
UP55-HD, установленных в передвижном кунге 1. В ряде экспериментов вдоль
трассы (на расстоянии ≈50 см от области каустики) располагался приемный
микрофон 13, акустический сигнал с которого от очагов пробоя поступал на
импульсный шумомер 14 и далее на запоминающий осциллограф 15
(TDS2012C), что позволяло точно определять координаты плазменных образо-
ваний относительно расположения антенны. Синхронизация всех процессов
производилась от переднего фронта импульса синхронизации с длительностью
0,2 мкс и амплитудой до 20 В.
Результаты измерений и условия, в которых они проводились, представлены в таблице 3.1. [136, 137].
3
15
16
54
Таблица 3.1 – Условия измерений и параметры регистрируемых сигналов на
антенне
и
,
мкс
Размеры антенны и ее
ориентация
Расстояние до
луча, м
Условия измерений
Наличие
очагов
пробоя
Частота
колебаний,
f, кГц
Амплитуда
колебаний,
мВ
Общая
длительность
сигналов,
мкс
Уровень
помех,
мВ
1
Ø3 мм,
LA= 27 м,
паралл. трассе
1
Лето, ночное
время, запыленный воздух
0 – 34
100 – 300
600
50
50 – 70
1
Ø3 мм,
LA= 27 м,
паралл. трассе
1
Лето, ночное
время, влажный воздух
0 – 12
120 – 200
120
40
20 – 30
1
Ø50 мм,
LA=3 м,
вертикально
1
Зима, ночное
время, слабый
снег
Микроочаги
100 – 500
40
50 – 100
5 – 7
1
Ø50 мм,
LA= 3 м,
вертикально
8
Лето, ночное
время, дождь
Частичные очаги
100 – 200
25
100
5 – 10
2
Ø 25 мм,
LA= 1.5 м,
вертикально
80
Осень, ночное
время, дождь
1 – 10
500, 50
10
10 – 20
1 – 2
0,5
Электростатический датчик, ионный
датчик
~1000
Лето, морской
воздух
-
3·10
-2
*
**
-
5·10
7
-
6·10
7
* наведенное электрическое поле (НЭП) – 600-900 В/м
** проводимость – 7·10
-17
-1,2·10
-16
См см
-1
В первой строке приведены результаты экспериментов, которые выпол-
нены с целью обнаружения наведенного электрического поля (НЭП) вблизи лазерной трассы. Для этого была использована медная антенна длиной 27 м и
Ø=3 мм, натянутая на изоляторах параллельно лазерной трассе на одной высоте
с пучком и расстоянии в 1 м. Одновременно проводились акустические измере-
ния. Для одиночных микросекундных импульсов форма принятых сигналов по-
казана на рисунке 3.8. Длительность сигналов составляла более 50 мкс, период
колебаний 5 – 10 мкс. Максимальная амплитуда доходила до 0,8 В. По акустическим данным среднее число очагов пробоя составляло 5 – 15 шт. Атмосфера,
в которой проводились измерения, была значительно запылена. При искус-
ственном запылении участка трассы длиной 1,5 – 2 м частицами Al2O3 (диаметром 40 мкм и средней концентрацией 1010 м-3) амплитуда регистрируемого
сигнала не увеличивалась, но форма сигнала была искажена сильнее, чем в
естественной атмосфере [136, 137]. При этом в течение 1,5 – 2 мкс в ряде измерений наблюдалась постоянная составляющая сигнала. На рисунке 3.8 показана
характерная осциллограмма наведенного сигнала (кривая 3) при наличии одно-
го крупного очага пробоя с акустической энергией 2,4 Дж, расположенного с
одного края антенны. Здесь же для сравнения показана форма лазерного им-
пульса (кривая 4). Кривые 1 и 2 относятся, соответственно, к свечению в крас-
55
ной и синей областях спектра. При увеличении влажности в атмосфере принятый сигнал уменьшался, что видно из результатов, приведенных на второй
строчке таблицы. Как видно из рисунка 3.8, максимум свечения в синей области спектра наблюдается через 5 мкс от начала действия лазерного импульса, в
то время как в красной области – через 7 мкс. При этом наведенный на антенне
электрический сигнал достигает максимума через 9 мкс (кривая 3).
В исследованиях, проведенных в зимней атмосфере (третья строка табли-
цы), использовались две антенны диаметром Ø = 30 – 50 мм и длиной 0,5 – 3 м,
которые размещались в различных точках вдоль трассы. Одна из них была ориентирована параллельно, а вторая перпендикулярно к лазерному пучку. В канале распространения лазерного излучения отсутствовали крупные плазменные
очаги, в основном наблюдались мелкие диаметром менее 10
-3
м. Кроме того,
наблюдалось сплошное свечение канала [136, 137].
Рисунок 3.8 – Формы сигналов оптического свечения (1, 2), наведенного на
антенне электрического сигнала (3) и лазерного импульса (4)
Измерения показывают, что уровень регистрируемого на антенне сигнала
составлял 20 – 150 мВ (средний уровень 40 – 60 мВ). Длительность сигналов
возрастала до 100 мкс и более. Но по форме сигнал искажался сильнее, чем при
пробое, наблюдаемом с крупными очагами (1 см и более). Характерный период
колебаний сигналов 4 – 12 мкс. Максимум амплитуды наблюдался как в начале
сигнала, так и через 10 – 20 мкс от начала излучения. В ряде измерений проявились максимумы через 30, 50, 100 мкс. Наибольший сигнал был зафиксирован
вертикальной антенной. Так, при измерениях в центре трассы с двух антенн одновременно (ориентированных вертикально и параллельно трассе), находящих-
ся на дистанции в 1 м от центра пучка, уровень сигнала на вертикальной антенне был в 2 – 3 раза выше, чем на горизонтальной.
Данные, приведенные в четвертой строке таблицы были получены с по-
мощью импульсов лазерного излучения длительностью 2 – 3 мкс с использова-
1
3
2
4
56
нием двух вертикальных антенн, расположенных на расстояниях 8 и 40 метров.
В этом случае была предпринята попытка измерения магнитного поля с помощью магнитного зонда. Последний представлял из себя цилиндрическую ка-
тушку диаметром Ø = 0,04 м и длиной 0,2 м с намотанным на нее изолированным медным проводом диаметром 1,5 мм. Электрические сигналы с антенн по
форме были близки друг к другу, а по амплитуде отличались в 3 – 4 раза. Сле-
дует отметить, что измерения проходили при сырой погоде и пробой на трассе
наблюдался редко.
В серии измерений, проводимых осенью (пятая строка таблицы), сигналы
принимались с большого расстояния (~80 м) от зоны пробоя на магнитный зонд
и антенну. Лазер генерировал импульсы длительностью 0,3 – 0,5 мкс, но энер-
гия излучения была на порядок меньше, чем в описанных выше экспериментах.
В отличие от предыдущих экспериментов в частотном спектре сигналов в ряде
измерений наблюдались две составляющих – высокочастотная с периодом
2 мкс и низкочастотная с периодом ~20 мкс. Амплитуда принимаемых сигналов
составляла 10 – 15 мВ [136, 137].
На рисунке 3.9 приведены характерные сигналы с антенны (кривая 1) и
магнитного зонда (кривая 2). Здесь по оси ординат отложена величина сигнала,
по оси абсцисс – время.
В рассматриваемом случае крупные очаги пробоя на трассе отсутствовали. Как видно из рисунка, в том и другом случае амплитуда регистрируемых
сигналов уменьшается, а период колебания сигнала увеличивается.
Рисунок 3.9 – Формы сигналов с антенны (1) и магнитного зонда (2)
Зависимость времени достижения максимума наведенного от канала распространения сигнала на антенну
р
мах
от времени достижения максимума сиг-
нала свечения канала в красной области спектра
св
(*) показана на рисунке 3.10.
2
1
57
Рисунок 3.10 – Зависимость времени достижения максимума наведенного
сигнала
р
мах
от времени достижения максимума сигнала свечения
св
(*) и
максимального периода сигнала
р
мах
Т
от полуширины кривой свечения Δ
св
(▲)
Как видим, эта зависимость практически линейная. Что касается зависимости периода наведенного сигнала
р
мах
Т
от полуширины кривой свечения кана-
ла в этой же области Δτ
св
, то она так явно не проявляется, как в предыдущем
случае. Однако и здесь наблюдается достаточно заметная связь. Полуширина
кривой свечения изменяется в пределах 4 – 10 мкс, что совпадает с периодом
принимаемых антенной колебаний.
Результаты измерений максимального (Т
max
) и минимального (T
min
) пери-
одов в спектре регистрируемых сигналов в зависимости от концентрации Nоч
очагов пробоя на трассе распространения излучения приведены на рисунке 3.11. Они указывают на то, что с увеличением концентрации очагов различие
T
max
и T
min
становится меньше [136, 137].
Рисунок 3.11 – Зависимость максимального (●) и минимального (+)
периодов в спектре регистрируемых сигналов от концентрации Nоч очагов
пробоя на трассе
Зависимость амплитуды наведенного на антенне сигнала от погонной
концентрации очагов пробоя на трассе показана на рисунке 3.12. В этом случае
15
10
5
0
pp
T
maxmax
,
,
мкс
свсв
,
,
мкс
58
наблюдается четко выраженный максимум сигнала при концентрации
Nоч = 0,17 м
-1
. Объясняется это тем, что при малых концентрациях наведенные
на антенне потенциалы малы и возрастают с увеличением концентрации. После
достижения максимума происходит ослабление мощности лазерного излучения
из-за поглощения, рассеяния излучения в среде и экранирования луча очагами
пробоя. В результате чего регистрируемые сигналы с увеличением концентра-
ции очагов пробоя уменьшаются.
Любое воздействие на атмосферу вызывает ее возмущение. В результате
чего изменяются параметры атмосферы и, в первую очередь, электрофизические. В конце таблицы приведены данные измерений НЭП с помощью струнного и электропроводности с помощью ионного датчиков в зоне возмущения мор-
ской атмосферы [149].
Рисунок 3.12 – Зависимость максимальной амплитуды наведенного сигнала от
концентрации очагов пробоя вдоль трассы
Данные о размере частиц были получены лидарным методом сотрудниками ИОА СО РАН и показали, что в районе измерений во время скачка элек-
тропроводности размер частиц в основном был равен 1 мкм. То есть можно
предположить, что в результате искусственно вызванных атмосферных процессов уменьшилась концентрация и это привело к увеличению проводимости. Более корректное физическое объяснение результата требует одновременного получения данных о распределении частиц по размерам и изменчивости размеров
частиц, соотнесенных к конкретным условиям электрического состояния атмо-
сферы, что является предметом дальнейших исследований [137].
3.4 Экспериментальные исследования электрических и магнитных
полей, возникающих при распространении импульсного лазерного
излучения на атмосферных трассах
Натурные эксперименты проводились на горизонтальных и наклонных
трассах на экспериментальной базе Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева
СО РАН, в которых использовался импульсный СO2-лазер с предионизацией
59
рабочей смеси электронным пучком от ускорителя прямого действия. Длина
волны излучения лазера λ = 10,6 мкм, энергия излучения имела максимальное
значение до 500 Дж. Временная огибающая лазерного импульса представляла
передний пик с полушириной 300 нс и пологий задний фронт общей длительностью 1,5 мкс.
Для обеспечения дистанционной фокусировки пучка в атмосфере исполь-
зовался зеркальный телескоп Кассегрена с диаметром большого зеркала 0,5 м
(парабола) и малого – 0,12 м (гипербола). Фокусное расстояние телескопа варьировалось в интервале F = 50 – 150 м перемещением малого зеркала.
Минимальный диаметр пятна фокусировки для реального частично-
когерентного лазерного пучка СО
2
-лазера при F = 100 м в условиях слабой ат-
мосферной турбулентности равен 15 см. Для возможности контроля параметров
лазерного канала передачи атмосферная трасса проходила на высоте 2 м над
ровной подстилающей поверхностью.
а) б)
Рисунок 3.13 – а) структурная схема натурных исследований на наклонных
трассах: б) внешний вид вышки и передвижной лазерной установки
На рисунке 3.13 приведена структурная схема экспериментальных иссле-
дований в натурных условиях, где:
1 – СO2-лазер;
60
2 – зеркало;
3, 5, 12 – светоделители;
4 – линза из NaCl;
6, 14 – измеритель мощности;
7, 15 – измеритель формы импульса;
8 – телескоп;
9 – ФЭУ;
10 – вышка;
11 – фокусирующее зеркало;
13 – лавсановая пленка.
Контроль энергии излучения осуществлялся с помощью измерителя энер-
гии ИМО-2. Для этого часть излучения на выходе лазера отводилась с помощью пластины из КРС-6.
Для исключения явления оптического пробоя на выходном окне измерителя отводимый из силового канала пучок ослаблялся лавсановой пленкой.
Определение интегрального коэффициента пропускания проводилось также с
помощью ИМО-2. В конце трассы пучок полностью перехватывался фокуси-
рующим зеркалом и через ослабитель подавался на приемное окно измерителя.
Форма лазерного импульса, его длительность контролировались по осцилло-
граммам, полученным с помощью фотоприемников ФСТ-223 с малым нагрузочным сопротивлением и приемником типа «Свод» [137].
Результаты атмосферных экспериментов с мощным источником СO2излучения (Е = 500 Дж, τu = 10-6 с) показали, что при распространении мощных
импульсов микросекундной длительности СО
2
-лазера в атмосфере, в условиях
пробоя и допробойном режиме, генерируются квазипериодические электрические и магнитные поля, имеющие частоту 10
5
– 106 Гц и длительность 10 –
100 мкс.
Длительность регистрируемых антенной сигналов, от канала распространения излучения, в условиях пробоя с крупными очагами в несколько раз
меньше, чем в допробойном режиме. Максимальное значение наведенных электрических и магнитных полей наблюдается при погонной концентрации очагов
пробоя на трассе Nоч = 0,17 м-1.
Параметры регистрируемых сигналов зависят от параметров воздейству-
ющего излучения (энергетических, пространственно-временных) и параметров
атмосферы (оптических, электрических, метеорологических, теплофизических,
акустических, микроструктурных).
Вариации характеристик атмосферного электричества при любом воздействии на атмосферу зависят от электрохимического потенциала, состава компонентов среды, гранулометрического состава аэрозоля, пространственной одно-
родности атмосферы [136, 137]. В результате этого наведенное электрическое
поле, проводимость атмосферы могут служить в качестве индикатора парамет-
ров в зоне возмущения при воздействии лазерного излучения на атмосферу, на
больших расстояниях от зоны возмущения в экспериментах наблюдались ано-
мальные всплески проводимости атмосферы от 7∙10
-14
до 2∙10
-14
См см
-1
, кото-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]